KR20080014724A - 내연 기관을 위한 터보차져용 공기 흡입부 - Google Patents

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Abstract

내연 기관을 위한 터보차져용 공기 흡입부로서, 상기 공기 흡입부는 일련의 가변 위치 안내 베인들을 포함하여 공기가 터보차져 컴프레서의 추진기에 이르는 동안 회전 방향으로 소용돌이치도록 방향을 지시하며, 상기 가변 위치 안내 베인은 흡음 물질을 포함하도록 이루어져서 상기 공기 흡입부에서 터보차져 소음을 실질적으로 감소시키는 것을 특징으로 한다.

Description

내연 기관을 위한 터보차져용 공기 흡입부{AN AIR INTAKE FOR A TURBOCHARGER FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 예를 들어 디젤 엔진과 같은 내연 기관을 위한 터보차져(turbocharger)용 공기 흡입부(air intake)에 관한 것이다.
공기 흡입부는 다음의 기능을 한다: 공기를 필터링하고; 공기가 터보차져의 컴프레서(compressor)의 추진기(impeller)에 이르기 전에 공기를 안내하고; 그리고 공기가 공기 흡입부의 공기 입구에 의해 방사됨에 따라 터보차져에 의해 발생하는 소음을 감소시킨다.
공기 흡입부의 흡음 라이닝(lining) 및 배플형 구조체(baffle structure)의 사용을 통해 소음 감소가 이루어진다.
문제는, 배플형 구조체의 기하학적 형태가 터보차져/기관의 전체 작동 범위에 걸쳐서 이상적이지 않다는 점에서 발생한다. 배플형 구조체에 의한 공기의 방향은, 공기가 특정 방향으로 추진기에 접근하도록 한다. 이러한 특정 방향은 터보차져/기관의 작동 범위의 극한에서는 이상적이지 않다. 이는 터보차져/기관 효율 감소 및 극한에서의 소음 증가를 야기한다.
가변 안내 베인(variable guide vane) 배열체를 공기 흡입부에 제공하여 터 보차져/기관의 작동에 따라 공기를 안내하고 그 결과 공기가 터보차져/기관 작동에 가장 적합한 방향으로 추진기에 접근하는 것은 공지되어 있다. 그러나 공기 흡입부에 다른 구성요소를 부가하는 것은 관련된 공기 역학적 손실과 더불어 공기 흡입부 내의 전체 공기 역학적 손실 증가로 인한 바람직하지 못한 효과를 야기한다. 더욱이, 가변 안내 베인 배열체는 복잡하며 비싸다.
본 발명에 따라, 내연 기관을 위한 터보차져용 공기 흡입부가 제공되며, 상기 공기 흡입부는 일련의 가변 위치 안내 베인(variable position guide vane)들을 포함하여 공기가 터보차져 컴프레서의 추진기에 이르는 동안 회전 방향으로 소용돌이(swirl)치도록 방향을 지시하며, 상기 가변 위치 안내 베인은 흡음 물질을 포함하도록 이루어져서 상기 공기 흡입부에서 터보차져 소음을 실질적으로 감소시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가변 위치 안내 베인 각각은 하나 이상의 베인부(vane part)를 포함하며, 상기 베인부들은 상호에 대해 가동성이 있으며(movable), 상기 가변 위치 안내 베인들의 상기 베인부들의 상대적인 이동은 상기 가변 위치 안내 베인들에 의해 적용된 소용돌이의 회전 방향 및/또는 양의 변화에 영향을 준다.
상기 가변 위치 안내 베인을 각각 포함하는 상기 베인부는 고정 베인부(fixed vane part)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 가변 위치 안내 베인 각각은 2개의 베인부를 포함한다.
이하에서 실시예로서 후술할 공기 흡입부에서는, 상기 가변 위치 안내 베인 각각이 고정 베인부 및 가동 베인부(movable vane part)를 포함하며, 상기 가변 위치 안내 베인의 상기 가동 베인부의 이동은 상기 가변 위치 안내 베인에 의해 적용된 소용돌이의 회전 방향 및/또는 양의 변화에 영향을 준다.
더욱이, 후술할 공기 흡입부에서는, 상기 일련의 가변 위치 안내 베인은 원형으로 배열되며, 상기 안내 베인들의 상기 고정 베인부는 상기 안내 베인들의 상기 가동 베인부의 방사상 외측에 위치한다.
더욱이, 후술할 공기 흡입부에서는, 상기 가변 위치 안내 베인 각각에서, 상기 고정 베인부 및 상기 가동 베인부가 단부 대 단부(end to end) 체결되고, 상기 가동 베인부는 상기 원형의 평면에 수직인 축 둘레로 회전 가능하고, 상기 축은 상기 고정 베인부 및 상기 가동 베인부의 단부 대 단부 체결 지점에 위치한다.
상기 가변 위치 안내 베인 각각에서, 상기 고정 베인부 및 상기 가동 베인부는 힌지 형태로 단부 대 단부로 체결되고, 상기 힌지의 축은 상기 원형의 평면에 수직인 축으로 구성된다.
상기 가변 위치 안내 베인 각각에서, 상기 고정 베인부 및 상기 가동 베인부 모두 흡음재로 채워진 천공된 금속성 시트 엔벨로프(envelope)를 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통해 후술된다.
도 1은, 본 발명에 따른 공기 흡입부의 일부의 전개도를 사시도로서 도시한 것으로, 도시된 일부는 일련의 가변 위치 안내 베인들을 포함한다.
도 2는, 본 발명에 따른 공기 흡입부를 통한 단면도이며, 여기에서는 공기 흡입부의 에어 필터가 생략된다.
도 3은, 도 2의 선Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도이다.
도 4는, 도 3의 화살표Ⅳ에서 본 도면으로서, 공기 흡입부의 엔드 커버가 제거된 도면이다.
도 5는, 일련의 안내 베인의 단일 가변 위치 안내 베인의 사시도이다. 그리고,
도 6 및 7은, 도 2에 상응하는 절반 섹션을 도시하며, 작동시의 일련의 가변 위치 안내 베인을 도시한다.
도 1 내지 4를 참조하여, 공기 흡입부(1)는 이하를 포함한다: 축(A) 둘레로 원형으로 배열된 일련의 가변 위치 안내 베인(3)들; 안내 베인(3)들이 체결된 사이의 출구 플랜지(outlet flange)(7) 및 엔드 커버(end cover)(5); 안내 베인(3)들의 원형을 중심으로 원주로 연장된 발포성 에어 필터(foam air filter)(9); 위치 링(location ring)(11); 및 액튜에이터(actuator)(13).
각각의 가변 위치 안내 베인(3)은 고정 베인부(15) 및 가동 베인부(17)를 포함한다. 각각의 고정 베인부(15)는 방사상 외측 단부에서 제 1 포스트(19)를 포함한다. 또한, 각각의 베인부(15)는 방사상 내측 단부에서 제 2 포스트(21)를 포함한다. 제 1, 2 포스트(19, 21)는 베인부(15)의 위치를 엔드 커버(5)와 출구 플랜지(7) 사이에 체결한다. 각각의 가동 베인부(17)는 방사상 외측 단부에서 관련된 고정 베인부(15)의 제 2 포스트(21)를 공유한다. 각각의 가동 베인부(17)는 각각 의 제 2 포스트(21)를 중심으로 회전이 가능하다. 각각의 베인부(17)는 방사상 내측 단부에서 제 3 포스트(23)를 포함하며, 상기 포스트(23)는 마개(spigot)(25)를 포함한다.
제 3 포스트(23)의 마개(25)는 위치 링(11) 내의 각각의 슬롯(27) 내에 위치한다. 위치 링(11)은 돌출부(29)를 포함하며, 이들은 엔드 커버(5) 내의 틈을 통해 연장된다. 액튜에이터(13)는 돌출부(29)에 연결된다. 액튜에이터(13)는 축(A) 둘레 시계 또는 반시계 방향으로 위치 링(11)을 회전시킬 수 있다. 이는 마개(25)와 제 3 포스트(23)가 축(A) 둘레로 원주로 이동하도록 하여, 각각의 가동 베인부(17)를 동일한 양만큼 동일한 시계/반시계 방향으로 그 각각의 제 2 포스트(21) 둘레로 회전시킨다.
도 5를 참조하여, 각각의 가변 위치 안내 베인(3)의 고정 베인부(15)는, 제 1 및 2 포스트(19, 21) 사이에서 연장된 굴곡지고 천공된 스틸 시트 엔벨로프(steel sheet envelope)(31)를 포함하며, 상기 엔벨로프 내에 발포성 흡음재(sound absorbent foam mass)(33)가 채워진다. 유사하게, 각각의 가변 위치 안내 베인(3)의 가동 베인부(17)는 제 2 및 3 포스트(21, 23) 사이에서 연장된 굴곡지고 천공된 스틸 시트 엔벨로프(35)를 포함하며, 상기 엔벨로프 내에도 발포성 흡음재(37)가 채워진다. 고정 및 가동 베인부(15, 17)는 힌지를 형성하여 제 2 포스트(21)를 공유한다.
공기 흡입부의 작동시, 터보차져 컴프레서의 추진기의 회전은, (이러한 추진기는 도 3의 오른쪽에 위치할 것이며, 축(A) 둘레로 회전할 것이다) 공기가 도 2 및 3의 화살표(39) 방향으로 방사상 내측으로 밀리도록 한다. 공기는 발포성 에어 필터(9) 및 안내 베인(3)들을 통해서 그리고 엔드 커버(5)와 출구 플랜지(7) 사이에서 이동한다. 안내 베인(3)들은, 공기가 추진기를 향해 밀림에 따라 공기가 축(A) 둘레로 시계 또는 반시계 방향으로 소용돌이치게 하거나 또는 전혀 그러하지 않도록 그 방향을 잡도록 한다. 소용돌이 양과 방향은 안내 베인(3)들의 가동 베인부(17)의 설정에 의해 결정된다. 도 2에 도시된 화살표(41)는 도 2의 가동 베인부(17)의 설정이 어떠한 소용돌이도 안내 베인(3)들에 의해 인가되지 않는 것을 지시한다. 도 3에 도시된 화살표(43)는 추진기를 향한 공기의 밀림을 지시한다. 엔드 커버(5) 내의 원뿔형 돌출부(45)는 공기 흡입부의 공기 역학을 돕는다.
도 2에서, 가동 베인부(17)가 중간-위치를 차지한다. 이러한 위치에서 안내 베인(3)들은 소용돌이를 적용하지 않는다. 도 6 및 7은 가동 베인부(17)의 설정으로 안내 베인(3)이 각각 시계 및 반시계 방향 소용돌이를 적용하는 것을 도시하며, 이는 화살표(47, 49)로 지칭된다. 따라서, 시계 방향 소용돌이를 위해, 가동 베인부(17)는 제 2 포스트(21) 둘레를 반시계 방향으로 회전한다. 유사하게, 반시계 방향 소용돌이를 위해, 베인부(17)가 제 2 포스트(21) 둘레를 시계 방향으로 회전한다. 물론, 적용되는 시계/반시계 방향 소용돌이의 양은 베인(17)의 회전 각도에 의한다.
가동 베인부(17)의 설정은 터보차져/기관의 작동 상태에 따라서 결정된다. 물론, 이러한 설정은 액튜에이터(13)의 작동으로 조절된다. 설정은, 안내 베인(3)들에 의해 적용된 소용돌이로 인해 공기가 특정 작동 상태에서 바람직한 방향으로 추진기에 접근하도록 선택된다. 시계 방향 및 반시계 방향 소용돌이를 적용하는 가능성을 가짐으로 인하여, 가변 위치 안내 베인(3)들이 추진기의 회전 방향과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 소용돌이를 적용할 수 있음을 주지하여야 한다. 따라서 안내 베인(3)들은, 터보차져/기관의 작동에 따라 요구되는 추진기에 이르기 전에 다양한 양의 소위 포지티브(동일 방향) 또는 네거티브(반대 방향) 소용돌이를 적용할 수 있다.
본 발명에 따라서, 안내 베인(3)들이 시계/반시계 방향 소용돌이의 다양한 양을 적용할 수 있는 것에 추가하여, 공기 입구부에 의해 공기 흡입부로 방출될 수 있는 터보차져의 소음을 감소시키도록 작동될 수 있다. 안내 베인(3)들은 흡음 물질들을 포함하는 구성에 의해 이러한 특성을 갖는다.
전술한 공기 흡입부는, 시계/반시계 방향 소용돌이의 다양한 양을 적용하는 작동 및 흡음 작동 모두에서 하나의 동일한 구성요소(즉, 일련의 가변 위치 안내 베인(3)들)를 채택함을 주지하여야 한다. 따라서 공기 흡입부의 전체적인 공기 역학 손실은 2개의 작동이 각각 별도로 할당된 구성요소에 의해 수행되는 경우의 공기 흡입부에 비하여 감소된다.
전술한 공기 흡입부에서, 각각의 가변 위치 안내 베인(3)은 하나는 가동성이 있고 다른 하나는 그렇지 않은 2개의 베인부(15, 17)를 포함하며, 2개 모두 흡음 물질을 포함하여 이루어진다. 각각의 가변 위치 안내 베인들이 오직 하나의 베인부만을 포함할 수 있어서 상기 베인부는 가동성이 있으며 흡음 물질을 포함하도록 이루어질 수 있음을 알 수 있으며, 이에 따라 시계/반시계 방향의 소용돌이의 다양 한 양을 적용할 수 있고 흡음성이 있는 2중 특성을 갖는다.
전술한 공기 흡입부에서, 각각의 가변 위치 안내 베인(3)은 하나는 가동성이 있고 다른 하나는 그렇지 않은 2개의 베인부(15, 17)를 포함한다. 이러한 2개의 베인부들이 모두 가동성이 있으며 동기화되어 이동하여 시계/반시계 방향 소용돌이의 필요한 양을 적용할 수 있음을 알 수 있다.
전술한 공기 흡입부에서, 각각의 가변 위치 안내 베인(3)은 2개의 베인부(15, 17)를 포함한다. 각각의 가변 위치 안내 베인은 3개 또는 그 이상의 베인부를 포함할 수 있음을 알 수 있다.
전술한 공기 흡입부의 각각의 가변 위치 안내 베인(3)에서, 고정 및 가동 베인부(15, 17)가 함께 힌지된다. 이러한 힌지는 생략될 수 있으며, 베인부들(15, 17)은 별도이지만 매우 근접하여 위치할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 고정 베인부(15)는 제 1 포스트(19)로부터 제 2 포스트(21)에 이르기 전에 연장되지만, 가동 베인부(17)는 제 2 포스트(21)를 공유하지 않는다. 가동 베인부(17)는 제 2 포스트(21)에 매우 근접하여 위치한 다른 포스트 둘레로 회전할 수 있다.
전술한 공기 흡입부의 가변 위치 안내 베인(3)에서, 고정 및 가동 베인부(15, 17)는 동일한 구성으로 이루어진다. 이러한 구성은 결과적인 일련의 가변 위치 안내 베인들이 필요한 터보차져 소음 감소를 제공하도록 상이할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 필요한 소음 감소를 제공할 수 있다면 가동 베인부(17)가 비-흡음 물질로 이루어질 수 있다.
전술한 공기 흡입부에서, 각각의 가변 위치 안내 베인(3)은 고정 베인부(15) 및 가동 베인부(17)를 포함하며, 이둘 모두 흡음성이며 적용된 소용돌이의 양/방향의 다양성이 가동 베인부(17)의 회전에 의해 이루어진다. 이러한 2개의 부분의 안내 베인부(3)들은 박막형(laminar form)의 단일 베인을 포함하는 일-부품 안내 베인으로 대체될 수 있음을 알 수 있으며, 이는 흡음 물질로 이루어지고 가요성이거나 휠 수 있어서 적용된 소용돌이의 양/방향의 필요한 다양성을 이룰 수 있다. 가요성 또는 휨 성질은 단일 베인의 방사상 내측/외측 중 하나 또는 둘 모두의 축(A) 둘레로 실질적으로 원주상의 이동에 의해 적절하게 이루어질 수 있다.

Claims (9)

  1. 내연 기관을 위한 터보차져(turbocharger)용 공기 흡입부(air intake)로서,
    상기 공기 흡입부는 일련의 가변 위치 안내 베인(variable position guide vane)들을 포함하여 공기가 터보차져 컴프레서(compressor)의 추진기(impeller)에 이르는 동안 회전 방향으로 소용돌이(swirl)치도록 방향을 지시하며,
    상기 가변 위치 안내 베인은 흡음 물질을 포함하도록 이루어져서 상기 공기 흡입부에서 터보차져 소음을 실질적으로 감소시키는 것을 특징으로 하는,
    공기 흡입부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 위치 안내 베인 각각은 하나 이상의 베인부(vane part)를 포함하며, 상기 베인부들은 상호에 대해 가동성이 있으며(movable), 상기 가변 위치 안내 베인들의 상기 베인부들의 상대적인 이동은 상기 가변 위치 안내 베인들에 의해 적용된 소용돌이의 회전 방향 및/또는 양의 변화에 영향을 주는,
    공기 흡입부.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 위치 안내 베인 각각을 포함하는 상기 베인부들은 고정 베인부(fixed vane part)를 포함하는,
    공기 흡입부.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 위치 안내 베인 각각은 2개의 베인부를 포함하는,
    공기 흡입부.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 위치 안내 베인 각각은 고정 베인부 및 가동 베인부(movable vane part)를 포함하며, 상기 가변 위치 안내 베인의 상기 가동 베인부의 이동은 상기 가변 위치 안내 베인들에 의해 적용된 소용돌이의 회전 방향 및/또는 양의 변화에 영향을 주는,
    공기 흡입부.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 일련의 가변 위치 안내 베인은 원형으로 배열되며, 상기 안내 베인들의 상기 고정 베인부들은 상기 안내 베인들의 상기 가동 베인부들의 방사상 외측에 위치하는,
    공기 흡입부.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가변 위치 안내 베인 각각에서, 상기 고정 베인부 및 상기 가동 베인부는 단부 대 단부(end to end) 체결되고, 상기 가동 베인부는 상기 원형의 평면에 수직인 축 둘레로 회전 가능하고, 상기 축은 상기 고정 베인부 및 상기 가동 베인부의 단부 대 단부 체결 지점에 위치하는,
    공기 흡입부.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가변 위치 안내 베인 각각에서, 상기 고정 베인부 및 상기 가동 베인부는 힌지 형태로 단부 대 단부 체결되고, 상기 힌지의 축은 상기 원형의 평면에 수직인 축으로 구성되는,
    공기 흡입부.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 위치 안내 베인 각각에서, 상기 고정 베인부 및 상기 가동 베인부 모두 흡음재로 채워진 천공된 금속성 시트 엔벨로프(envelope)를 포함하는,
    공기 흡입부.
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